變壓器引線電流在鐵心中引起的環(huán)流及防止局部過熱分析

王 凱 李志偉 張 棟 趙 峰 冉慶凱

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變壓器引線電流在鐵心中引起的環(huán)流及防止局部過熱分析

王 凱1李志偉1張 棟1趙 峰2冉慶凱1

（1. 保定天威保變電氣股份有限公司，河北保定 071056； 2. 保定天威集團(tuán)特變電氣有限公司，河北保定 071056）

本文應(yīng)用有限元計(jì)算軟件，對(duì)發(fā)電機(jī)變壓器低壓繞組及引線在鐵心及結(jié)構(gòu)件中引起的環(huán)流進(jìn)行了仿真計(jì)算，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)的載流進(jìn)行了分析。

發(fā)電機(jī)變壓器；回路；環(huán)流

單相高電壓、大容量的發(fā)電機(jī)變壓器低壓繞組一般采用螺旋式繞組，低壓繞組上、下出頭分別引出后用引線連接至油箱頂部的低壓套管，所以下低壓出頭的連接引線較長。

發(fā)電機(jī)變壓器的低壓電流較大，引線所產(chǎn)生的漏磁也較大，而較長的引線長度更加加劇了漏磁對(duì)變壓器其余部件的影響，其中鐵心結(jié)構(gòu)件距離較近，耦合情況良好，受其影響也最大。

1 結(jié)構(gòu)件環(huán)流產(chǎn)生機(jī)理及理論計(jì)算

在變壓器低壓側(cè)，低壓繞組、連同低壓上下引線閉合形成電流回路，而此電流回路與變壓器鐵心結(jié)構(gòu)件回路產(chǎn)生電磁耦合，進(jìn)而使得鐵心結(jié)構(gòu)件中產(chǎn)生環(huán)流，如圖1、圖4所示。

發(fā)電機(jī)變壓器的低壓電壓較低，電流較大，致使鐵心結(jié)構(gòu)件中的耦合感應(yīng)電流也較大，容易產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。而不同結(jié)構(gòu)的采用，也會(huì)使得鐵心結(jié)構(gòu)件環(huán)流的產(chǎn)生位置、大小均不相同；采取相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施避免局部過熱現(xiàn)象的發(fā)生，盡可能地減小環(huán)流的產(chǎn)生和增大環(huán)流通路的載流能力已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重中之重。

下面以一臺(tái)380MVA/500kV發(fā)電機(jī)變壓器為例，針對(duì)不同載流結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算。

高壓額定電壓為525kV，低壓額定電壓為27kV，低壓繞組（引線）額定電流為14074.1A，鐵心直徑為1440mm，窗高為2660mm，相中心距為1835mm，低壓繞組高為2385mm，低壓繞組平均半徑為850mm。

如圖4所示結(jié)構(gòu)，對(duì)低壓線圈軸向分量電流所產(chǎn)生的鐵心結(jié)構(gòu)磁路的感應(yīng)電動(dòng)勢進(jìn)行理論計(jì)算。

每個(gè)鐵窗所通過磁通為

=（1）

得出

根據(jù)衰減曲線折算后，得到

（3）

引線漏磁在框內(nèi)所產(chǎn)生的電動(dòng)勢如下。

右框內(nèi)垂直引線所產(chǎn)生的穿窗磁通為

水平引線所產(chǎn)生的磁通較小，忽略不計(jì)。

進(jìn)而可得到，右框回路內(nèi)感應(yīng)電壓為2.76V，左框由于引線影響較小，僅為0.6V，低壓引線電流磁通引起的感應(yīng)電勢起主導(dǎo)作用。

下面通過有限元對(duì)不同載流結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行分析，從而找出防止局部過熱的措施及優(yōu)選結(jié)構(gòu)。

2 鐵心夾件、拉板回路載流結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)1）

鐵心上夾件、下夾件、主柱拉板、旁柱拉板聯(lián)通為一體。上夾件—主柱拉板—下夾件—旁柱拉板形成閉合回路，低壓繞組和其引入-引出引線回路與鐵心結(jié)構(gòu)件回路、鐵心疊片回路構(gòu)成耦合電路，這樣在鐵心結(jié)構(gòu)件回路，鐵心回路就會(huì)產(chǎn)生感生電流，感生電流的大小和回路位置和回路電阻大小直接相關(guān)。對(duì)變壓器按1∶1建立低壓側(cè)1/2模型，如圖1所示，高、低壓繞組給額定電流，低壓繞組考慮電流軸向分量產(chǎn)生的影響。疊片內(nèi)感應(yīng)電流透入深度約為10.38mm，末級(jí)鐵厚度為12mm，所以對(duì)末級(jí)鐵進(jìn)行疊片分層處理，并通過計(jì)算步進(jìn)搭接位置片間電流穿越面積，計(jì)算其片間電阻，而后根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)末級(jí)分層處理部分給定較大的電阻率，以模擬環(huán)流位置電阻。低壓引線給定額定電流。

由于夾件的電流面密度多為渦流，所以從直觀上看，鐵心夾件左右兩側(cè)并無很大差別，如圖2所示，但從旁柱拉板的電密上可以看出很大不同。對(duì)連通后夾件及拉板流經(jīng)電流進(jìn)行積分，左環(huán)電流為133.3A，右環(huán)電流為713.8A。從電流積分結(jié)果可以看出左、右兩回路感生電流明顯不同，從圖1模型和圖4示意圖可以看出，左側(cè)為低壓首端，從上部出線，路徑短，且未和繞組形成較大回路，在上夾件—主柱拉板—下夾件—左旁柱拉板構(gòu)成的左框中感生電流較小；右側(cè)為低壓末端，從繞組下部引出，并經(jīng)過內(nèi)部引線引到上部出線，這樣末端出線路徑長，且基本和低壓繞組構(gòu)成回路，此回路在上夾件-主柱拉板—下夾件—右旁柱拉板形成的回路中感生出較大電流。

圖3 鐵心末級(jí)疊片電流分布云圖

圖4 感生電流示意圖

由漏磁引起的鐵心回路環(huán)流和鐵心結(jié)構(gòu)件回路環(huán)流呈現(xiàn)相同分布情況，左框環(huán)流小，右框環(huán)流大。但由于鐵心結(jié)構(gòu)件的抗磁效應(yīng)，鐵心末級(jí)鐵環(huán)流明顯較小，電密分布如圖3所示，經(jīng)積分，左環(huán)電流為6.5A，右環(huán)電流為40.5A。

由上述計(jì)算可看出，當(dāng)夾件-拉板回路導(dǎo)通，低壓繞組-低壓引線回路將在鐵心結(jié)構(gòu)件回路和鐵心疊片回路中感生出電流，結(jié)構(gòu)件右側(cè)回路電流較大。在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中需引起關(guān)注：因夾件和拉板之間為機(jī)械連接，連接部位的接觸面積應(yīng)足夠大，且應(yīng)采取措施，保證接觸良好，如出現(xiàn)接觸不良，易出現(xiàn)局部過熱現(xiàn)象。

3 鐵心末級(jí)疊片回路載流結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)3）

為避免結(jié)構(gòu)一中的電流回路（夾件與拉板之間的螺紋機(jī)械連接位置）由于長期運(yùn)行震動(dòng)而導(dǎo)致的接觸不良；將旁柱拉板和下夾件連接處進(jìn)行絕緣，即上夾件、主柱拉板、下夾件、旁柱拉板之間絕緣斷開、不再形成閉合電流回路。這樣鐵心結(jié)構(gòu)件的環(huán)流抗磁回路斷開，使得大量漏磁進(jìn)入鐵心疊片。鐵心疊片同樣為電導(dǎo)體，在鐵心疊片中感生的電流將增加。這樣需對(duì)鐵心疊片結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的45°斜接縫和步進(jìn)搭接接縫結(jié)構(gòu)，搭接面積小，接縫處存在氣隙，電阻大，而且在疊裝及吊運(yùn)中容易產(chǎn)生虛接，疊片的接縫位置極易產(chǎn)生局部過熱。

為此，在鐵心末級(jí)疊片采用90°搭接接縫結(jié)構(gòu)，增大片間接觸面積，如圖5所示。此結(jié)構(gòu)為國內(nèi)首創(chuàng)，此結(jié)構(gòu)在鐵心末級(jí)疊片與次末級(jí)疊片之間設(shè)置鐵心油道，加強(qiáng)對(duì)鐵心末級(jí)散熱，同時(shí)油隙的高磁阻將漏磁隔絕在末級(jí)鐵心疊片中。對(duì)除末級(jí)鐵外的其它鐵心疊片，采用斜接縫，步進(jìn)搭接結(jié)構(gòu)。這樣鐵心末級(jí)疊片即起到載流作用，同時(shí)遏制了漏磁在鐵心疊片中引起的局部過熱。

1—拉板；2—鐵心散熱油道；3—鐵心末級(jí)疊片

按同樣方式建模進(jìn)行有限元計(jì)算，鐵心末級(jí)疊片電流分布如圖6所示，左環(huán)電流為23.4A，右環(huán)電流為136.6A。鐵心環(huán)路電流比結(jié)構(gòu)一明顯增大。

圖6 鐵心末級(jí)疊片電流分布云圖

4 銅補(bǔ)償環(huán)載流結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)3）

將鐵心結(jié)構(gòu)件回路絕緣，在鐵心表面加銅補(bǔ)償環(huán)，使銅補(bǔ)償環(huán)沿各個(gè)鐵心窗口形成短路環(huán)，抑制低壓繞組-引線回路在鐵心中的感生電流。經(jīng)有限元計(jì)算，如圖7所示，銅補(bǔ)償環(huán)左環(huán)電流為185.0A，右環(huán)電流為1022.0A。鐵心末級(jí)鐵環(huán)流如圖8所示，左環(huán)電流為0.8A，右環(huán)電流為0.9A，鐵心末級(jí)疊片回路中環(huán)流幾乎沒有。同時(shí)銅材具有良好的抗磁作用，使鐵心結(jié)構(gòu)件渦流損耗明顯降低。

銅材具有良好的抗磁作用，且銅短路環(huán)為非承力結(jié)構(gòu)，不存在虛接，此結(jié)構(gòu)的抗磁效果最好，無局部過熱現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

5 結(jié)論

低壓繞組—引線在鐵心中感生電流見表1。

表1 不同鐵心結(jié)構(gòu)感生電流對(duì)比表

根據(jù)感生電流對(duì)比及各種載流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出結(jié)論如下：

1）結(jié)構(gòu)1最為簡單，但結(jié)構(gòu)件感生電流大，連接部位的接觸面積應(yīng)足夠，結(jié)構(gòu)件應(yīng)可靠連接，防止虛接。

2）結(jié)構(gòu)2末級(jí)疊片感生電流大，應(yīng)防止末級(jí)疊片出現(xiàn)虛接現(xiàn)象，末級(jí)鐵宜采用90°搭接結(jié)構(gòu)，且應(yīng)有充分的散熱。

3）結(jié)構(gòu)3抗磁效果最好，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

通過以上分析可知，如果措施得當(dāng)，那么以上3種結(jié)構(gòu)均能有效載流，遏制漏磁在鐵心及結(jié)構(gòu)件中引起的局部過熱，其中，結(jié)構(gòu)3抗磁效果最好，損耗低，可靠性高，建議在條件允許的情下，采用結(jié)構(gòu)3方案。

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Analysis of the Circumfluence in the Core Caused by Transformer’s Lead Circuit and Preventing Partial Overheating

Wang Kai1Li Zhiwei1Zhang Dong1Zhao Feng2Ran Qingkai1

(1. Baoding Tianwei Baobian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056; 2. Baoding Tianwei Group Tebian Electric Co., Ltd, Baoding, Hebei 071056)

Applied finite element calculation software to simulated the circumfluence in the core and structure parts caused by the circuit in LV winding and lead of generator transformer, and analyse the circuit in different structure.

genarator transformer; circuit; circumfluence

王 凱（1977-），男，保定天威保變電氣股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事500kV及以上大型變壓器設(shè)計(jì)制造工作。